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引言
在整個注塑製品的成型過程中，冷卻具有十分關鍵的作用。傳統冷卻水道呈直線型，製品表面距冷卻水道的距離隨著製品形狀的改變卻可以不變。而隨著 3D 技術的發展，製品表面距隨形冷卻水道的距離隨著製品形狀的改變卻可以不變，實現了製品的均勻冷卻。由於成本的制約，目前，生產多數採用傳統CNC 和金屬 3D 列印的複合技術，即僅在存在熱點的區域採用包含隨形冷卻水道的鑲嵌，其餘的區域仍採用傳統的直線型冷卻水道，兩者拼合得到整個製品注塑模具的冷卻水道。這種採用傳統CNC和金屬3D列印的複合技術，不僅成本可以得到控制，冷卻效果也得到了提升。
本文以某汽車後視鏡殼為製品模型，材料選擇PBT+ 50GF，注塑模具採用一模兩腔的結構。汽車後視鏡殼的三維圖，如圖 1 所示。
模具隨形冷卻水道設計及模擬分析
2.1 產品模型厚度分析
汽車後視鏡殼的厚度分析如圖 2 所示。汽車後視鏡殼屬於薄板型塑件，厚度不均勻，最薄處只有0。 0969mm； 最厚處可達8。283mm，同時，材料還含有 50% 的玻璃纖維，會造成填充流動困難，冷卻不均勻現象。冷卻時間因為厚壁處的熱點而延長，而且製品溫度分佈不均，造成了嚴重的翹曲變形。
圖3為區域性區域放大圖，箭頭所指的區域，由於依靠著一個圓柱體，厚度為7。817mm，周圍的厚度約為2mm，厚度相差較大，最終的製品會出現嚴重的縮痕。
2.2 注塑工藝分析
Moldflow分析的模具注塑工藝引數的設定如表 1 所示。
2.3 傳統冷卻水道與隨形冷卻水道的設計對比
傳統直線型冷卻水道過渡處全部為直角，柱體的冷卻採用 冷卻井實現； 而3D列印是“分層製造，層層疊加”的過程，可以打印出任意形狀的隨形冷卻水道，但是，金屬 3D 列印的隨形冷卻水道比傳統冷卻水道的成本高很多，所以，一般採用傳統CNC和金屬3D列印的複合技術，即大部分的冷卻水道利用傳統CNC加工，區域性傳統冷卻水道無法冷卻的區域採用金屬3D 列印的隨形冷卻水道鑲嵌消除熱點。
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汽車後視鏡殼產品注塑模具的冷卻水道採用傳統 CNC 和金屬 3D 列印的複合技術。模型控制變數的所有引數基本一致，冷卻液溫度設定為80℃ 。傳統冷卻水道方案採用直線型冷卻水道，深腔骨架處選擇常見的冷卻水井設計方法。傳統冷卻水道的設計如圖5所示。隨形冷卻水道方案的直徑為3mm，更貼近製品表面，同時為了避免干涉，在深腔處採用上下環繞的設計方法。鑲嵌件中隨形冷卻水道的設計如圖6所示。
傳統冷卻水道的鑲嵌件透檢視和隨形冷卻水道的鑲嵌件透 檢視如圖 7 所示。
2.4 傳統與隨形冷卻水道的結果對比
2。4。1 模具型腔表面溫度分佈
圖8為傳統冷卻水道方案與隨形冷卻水道方案的模具型腔表面溫度分佈。
從圖中可以看出，因為傳統冷卻水道是直線型，水道與模具 型腔表面的距離是變化的，所以不能完全均勻冷卻，基本上每個面都有熱點出現，區域性熱點溫度高達167。2℃，其餘非熱點區域溫度基本保留在130℃。而對於隨形冷卻水道方案，圈住的骨架部分的熱點問題得到了很大的改善，原先採用傳統冷卻水 道得到的製品溫度為155℃的點，採用隨形冷卻水道冷卻後，溫度基本降到了100℃以內，溫度平均降低了30℃。在採用隨形冷卻水道方案時，在傳統冷卻水道方案熱點處的冷卻水井改變 為直徑為3mm的隨形冷卻水道，冷卻效果得到改善，冷卻不均的問題得到了解決。
2.4.2 達到頂出溫度的時間
含傳統冷卻水道和隨形冷卻水道的注塑製品達到頂出溫度的時間分別如圖9a和圖9b所示。
含傳統冷卻水道的注塑製品達到頂出溫度的時間為36。05s，而含隨形冷卻水道的注塑製品達到頂出溫度的時間為13。29s。兩者比較可以發現，隨形冷卻水道可使製品達到頂出溫度的時間減少了近2/3，冷卻時間明顯縮短，很大程度上縮短了成型週期。
2.4.3 翹曲變形
圖10a和10b分別為含傳統冷卻水道和隨形冷卻水道的製品翹曲變形模擬分析圖。
含傳統冷卻水道的後視鏡外殼翹曲變形量最大可達到0。9667mm，大部分割槽域的變形量約為0。4869mm；而含隨形冷卻水道的後視鏡外殼翹曲變形量最大可達到0。9950mm，大部分割槽域的變形量約為0。2566mm。分析最大翹曲變形量，兩者相差較小，但是，結合整體區域的翹曲變形量，兩者相差了0。24mm，將近一倍，因此，含隨形冷卻水道的注塑模具能夠較好地改善製品翹曲變形的程度。
隨形冷卻水道的製造
3. 1 3D裝置的工作原理
圖11為 SLM（ Selective Laser Melting，簡稱 SLM） 金屬 3D 裝置的工作原理圖。SLM 裝置一般由光路單元、機械單元、控制單元、工藝軟體和保護氣密封單元等幾個部分組成。送粉系 統將金屬粉末送到鋪粉系統內，鋪粉系統利用滾筒使金屬粉末平鋪到工作臺上，每層厚度可調節，一般為0。02 ～ 0。08mm。鋪粉厚度適宜，若鋪粉過厚，鐳射不能完全熔化金屬粉末； 若鋪粉過薄，則列印時間較長。再使用鐳射照射預先鋪好的金屬粉末，目前常用的鐳射功率為200 ～ 400W，光斑直徑範圍為50 ～ 500μm。金屬零件成型完畢後，可被粉末完全覆蓋。
採用精細聚焦光斑快速熔化預置金屬粉末材料，可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的功能零件。使密度可達到約 100% ，尺寸精度 20 ～ 50μm，表面粗糙度 20 ～ 30μm。
3.2 引數的設定
汽車後視鏡外殼的隨形冷卻水道鑲嵌件採用德國Concept Laser公司的M2型號SLM金屬3D印表機列印。其每層鋪粉厚度設定為0。05mm，選定的鐳射功率為 200 W，掃描速度設定為5m/s，光斑直徑為50μm，列印的粉末為特殊供應的CL50鋼。
3. 3 冷卻鑲件實物
圖 12 為含隨形冷卻水道的鑲嵌件 3D 圖，上部分為3D列印的部分，下部分為鋼料底座。圖13為開始加工的鋼料底座，其材質為1。2344，線切割外形，周邊預留0。8 ～ 1mm 餘量，中間水井不需留餘量，機加工完畢再熱處理（ HＲC48-52） ，頂面磨平並退磁，然後，在其頂面上開始金屬3D列印。
模具的製造
圖 14 為注塑模具一模二腔的動模3D圖，箭頭所指的部件為型芯金屬3D列印鑲件。圖15為金屬3D列印的含隨形冷卻水道的鑲嵌件實物圖。
注塑模具實物圖如圖16 所示，其中，方框部分為金屬3D 列印的含隨形冷卻水道的鑲嵌件實物圖。
結果與討論
圖 17 為採用傳統冷卻水道方案得到的製品實物圖和採用隨形冷卻水道方案得到的製品實物圖。
實際生產中發現，採用傳統冷卻水道方案得到的製品表面刮痕嚴重，開模時粘膜嚴重，而採用隨形冷卻水道得到的製品表面光滑，沒有粘膜。
傳統冷卻水道方案和隨形冷卻水道方案的時間對比如表 2 所示。
結論
以某汽車後視鏡外殼為研究物件，進行注塑模具隨形冷卻水道方案的設計，並將其與傳統冷卻水道方案的成型效果對比， 從而驗證隨形冷卻水道方案的最佳化效果。
結合金屬 3D 列印的成本，汽車後視鏡外殼注塑模具採用傳統 CNC 和金屬 3D 列印的複合技術，大部分割槽域採用 CNC 加工直線型傳統冷卻水道，區域性難以冷卻的熱點區域採用金屬 3D 列印的隨形冷卻水道鑲嵌件進行冷卻。用 Moldflow 軟體對傳統冷卻水道方案與隨形冷卻水道鑲嵌件方案進行模流分析，並生 產了含傳統冷卻水道的注塑模具和含隨形冷卻水道鑲嵌件的注 塑模具，併成型得到汽車後視鏡殼實物。經驗證，其冷卻效果與Moldflow 模流分析結果一致，而且，含隨形冷卻水道方案能夠大大縮短冷卻時間和成型週期。此外，還減少了區域性熱點，改善了 製品整體的翹曲變形。